Случайность как художник: учёные обнаружили первую фрактальную молекулу

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Природа, словно увлеченный художник, разбрасывает свои шедевры по всему миру. От изящных снежинок до причудливых изгибов раковин — повсюду мы видим симметрию, узоры и гармонию. Но иногда, играючи, природа создает нечто совершенно неожиданное, разрушая привычные шаблоны и бросая вызов нашему пониманию порядка. Именно такой сюрприз преподнесли ученые, обнаружив первый в мире молекулярный фрактал.


Автор: Designer

Фракталы — это геометрические фигуры, обладающие свойством самоподобия. Их структура повторяется на всех масштабах, от мельчайших деталей до общей формы. В природе мы встречаем фракталы в изломах береговой линии, ветвях деревьев, прожилках листьев. Но на молекулярном уровне, в мире белков и атомов, фракталы казались невозможными. До сих пор.

Встреча с треугольником Серпинского

Цитратсинтаза — фермент, участвующий в жизненно важных процессах обмена веществ у цианобактерий. Казалось бы, что может быть прозаичнее? Но исследователи из Института Макса Планка и Университета Филиппа в Марбурге обнаружили, что молекулы этого фермента способны на удивительное: они самоорганизуются, образуя узор, известный как треугольник Серпинского. Этот фрактал представляет собой бесконечную последовательность треугольников, вложенных друг в друга, с пустыми пространствами, напоминающими звездное небо.

(a), Распределение олигомерных белковых комплексов очищенного CS из двух видов цианобактерий, S. elongatus PCC 7942 (SeCS, масса мономера = 44,3 кДа) и Synechocystis sp. PCC 6803 (масса мономера = 45,9 кДа), измеренное MP. На рисунках изображена сборка известных белков CS. b, Распределение субъединиц SeCS в различных олигомерных комплексах, соответствующих измерениям МП в (a). (c, d), 2D классные значения очищенного SeCS, зарегистрированные с помощью ЭМ, окрашенных с отрицательным эффектом. Комплексы 6mer не давали обзоров сверху. Таким образом, для представления был использован изолированный 6mer из среднего по классу 18mer. Схемы изображений справа. (e), Количественная оценка размеров Хаусдорфа (D) с использованием средних классов 18 и 54 меров. Данные представлены в виде средних значений трех различных положений сетки, а столбцы погрешности соответствуют s.d. (D) получено из наклона линии регрессии (R254мер = 0,996, Р218мер = 0,997). (f), Рg значения, выведенные из данных SAXS для SeCS и гексамерного варианта (SeCS L18Q;) при различных концентрациях белка. Эксперимент проводили, начиная с самой высокой концентрации, а затем последовательно разбавляя белок. Таким образом, более крупные сборки являются реверсивными. Измеряли по одной пробе для каждой стадии концентрирования в течение десяти кадров. Представленные данные представляют собой выводимый Rg значения с использованием аппроксимации Гинье, а столбцы ошибок соответствуют s.d. значений аппроксимации, вычисленных из ковариационной матрицы (ScÅtter IV). Пунктирными линиями обозначен Rg Значения рассчитаны по указанным структурным моделям 6MER, 18MER и 54MER.
Автор: Sendker, F.L., Lo, Y.K., Heimerl, T. et al. Emergence of fractal geometries in the evolution of a metabolic enzyme. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07287-2 (CC-BY 4.0) Источник: www.nature.com

Открытие было сделано совершенно случайно, как это часто бывает в науке. Ученые, изучая структуру цитратсинтазы, были поражены изображениями, полученными с помощью электронного микроскопа. Вместо ожидаемой регулярной решетки молекул они увидели завораживающий фрактальный узор.

Секрет асимметрии

Разгадка тайны фрактального белка кроется в его асимметрии. Обычно при самоорганизации белковых молекул каждая цепь занимает одинаковое положение относительно своих соседей. Это приводит к формированию симметричных, упорядоченных структур. Но в случае с цитратсинтазой все иначе. Различные белковые цепи взаимодействуют друг с другом по-разному, создавая сложный и непредсказуемый узор, подобный треугольнику Серпинского.

Эволюционная игра

Зачем же цианобактерии понадобился фрактальный фермент? Удивительно, но, похоже, это всего лишь игра случая, эволюционный каприз. Ученые провели эксперимент, в котором генетически модифицировали цианобактерии, лишив их цитратсинтазу способности собираться во фрактальные структуры. Оказалось, что это никак не повлияло на жизнедеятельность бактерий.

Чтобы разобраться в этой загадке, исследователи заглянули в прошлое. Используя специальные методы, они реконструировали эволюционную историю цитратсинтазы и обнаружили, что фрактальная структура возникла внезапно, в результате нескольких случайных мутаций. В других линиях цианобактерий эта особенность быстро исчезла, но у одного вида она сохранилась до наших дней.

Новый взгляд на эволюцию

Открытие молекулярного фрактала заставляет нас переосмыслить роль случая в эволюции. Оказывается, даже такие сложные и изысканные структуры могут возникать без какой-либо видимой цели, просто как результат случайных событий. Это открывает перед нами увлекательную перспективу: возможно, в мире биомолекул скрывается еще множество удивительных форм и узоров, ждущих своего открытия. И кто знает, какие еще сюрпризы готовит нам природа в своей бесконечной игре со случайностью и порядком.